空间站再生水污染防治策略

何新星，吴大蔚，李莹辉

（中国航天员科研训练中心，北京100094）

1 引言

维持航天员正常生命活动所需的水分，一方面依靠地面供应，另一方面依靠再生系统提供。当前，NASA在国际空间站飞行任务中能够提供50%的水，2010年底起草的NASA载人航天综合路线图把有效提高水再生能力作为一项重要任务。NASA期望到2022年，95%的航天用水可以再生。要想实现上述目标，首先必须解决的是再生水质污染问题。因此，NASA明确提出，2016年前亟待解决的技术挑战是稳定回收处理技术以获得再生水，并控制病原体、微生物生长，防止产生异味[1，2]。

面向我国空间站长期飞行任务，提供卫生洁净、无毒无害的再生水作为一项必然的选择，同样需解决再生水污染问题。本文分析了再生水中污染物的主要来源，并从再生水水质要求、水质的监测与评价、再生水净化等方面对再生水污染的防治策略进行了讨论。

2 空间站水的需求

2.1 总量需求

载人航天过程中，水主要用于饮用水、食品和饮料复水、卫生用水、医用水、任务结束返回时携带、EVA用水等。

表1 国际空间站用水需求统计[1]

对国际空间站用水需求情况进行统计分析可见，维持正常飞行活动中一名航天员一日工作生活所需水分约2.9L；如有出舱活动，则按6h出舱活动计算，还需增加1.4L；此外，还需为每名航天员提供5.5L医疗用水、再入前的1.0L补液用水。“礼炮”6号使用“进步号”货运飞船补给的物资中，水是其中一个重要的补给物资，按三人乘组连续驻留一年为基准，其饮水需求量约为3t[3]。如此庞大的需求，使得水再生技术成为各载人航天国家共同致力研究的一项重要课题。

2.2 水温控制

为了航天员的健康，饮用水、食品复水、饮料、医用水都有温度要求，尤其是长期飞行，航天员对冷热饮的偏好越来越重要。

表2 国际空间站不同用途水温要求[2]

2.3 再生水

目前，国际空间站仅从冷凝水和尿液中再生水，再生水的提供能力占总需水量的50%。水再生和管理的寿命周期费用受到水再生系统的可靠性和消耗品使用程度的限制。由于存在物理、化学和微生物的可能污染，必须在再生水的实现过程中进行稳定处理，一方面可避免设备受到生物和化学污垢引起故障，防止排出气体污染物。更重要的是，要对再生水消毒，确保安全存贮，同时杀菌剂等成分不会危害航天员的健康。

NASA希望通过提高再生生保系统的可靠性，从多种资源，包括卫生保健水、洗衣水中再生水，增加总的水再生百分比，并提供可靠的监测方式，对再生饮用水消毒和微生物控制，确保航天员健康。其具体的规划为：2014年前，实现55%的水再生；2019年达到98%的水再生；到2029年，98%的再生水主要由生物系统（采用生物学净化技术，尽量减少物理化学净化技术带来的资源消耗）提供。

3 再生水污染来源

长期载人飞行中，存在着多种可能导致再生水污染的因素。按照污染物的来源分，污染物可来自于地面携带水中污染物、飞行过程污染物、航天器水中的添加剂等。表3给出了再生水中可能的污染源及其污染过程。

表3 再生水的化学污染源

按照污染物的种类分，可分为微生物污染、重金属离子污染、有机化合物污染、无机化合物污染等。饮用水微生物污染被认为是传染性疾病的源，因为水为微生物生长和病原体滋生提供了载体。跟普通的水系统比较，即使使用了杀菌剂，再生水系统把各种各样微生物带入的可能性是存在的。在国际空间站上，不同再生水源中均检测出了多种不同的污染物，详见表4。

表4 不同再生水源中检测出的污染物[1]

按照污染发生的过程分，可分为正规飞行中的污染、故障与应急事件污染，有效载荷及空间实验中的污染等。在长期航天飞行中，系统固有的长寿命增加了毒性污染物积累的可能性，系统材料的降解过程等将会分散到各种污染物中，进而污染水源。在长期航天飞行中实施的大量空间医学、生物学实验及有效载荷试验等，均可能构成一个不确定的水系统污染源，增加了水源的不稳定性。应急事件和故障情况，也可能带来额外的污染风险。

4 水质要求

制定再生水水质要求，是控制再生水污染、保证航天员健康的第一要素。国际载人航天史上对再生水均提出了相应的水质要求。通常而言，再生水水质要求主要包括物理化学指标限值、微生物限值和感官指标（味觉、气味、浑浊度、颜色、pH值）等。但针对再生水的用途不同，如饮用水、个人卫生用水、医用水等，水质要求并不相同。

4.1 感官指标

感官指标一般包括颜色、味道和气味、混浊度及其他物理参数。

（1）颜色：可直接根据颜色判定水质是否对身体健康有影响或者是否已遭受污染。美、俄等国均制定了相应的水质颜色判别的标准（见表6），我国在水质要求中，也明确了水质判别的方法和要求[4]。

（2）味道和气味：通常，味道和气味的评价取决于人的感觉。饮用水味觉的可接受性对心理健康和生理健康都很重要。以往，美国载人飞行提供的饮用水安全、无味但并不受欢迎。这些水淡而无味，可能类似于高质量的三次蒸馏水。而在再生水质处理过程中，使用杀菌剂时，可能会遗留有令人讨厌的味道。研究证据表明，灭菌过程和树脂净化过程会产生少量化合物，如三丁基胺，虽然这些化合物对人无毒性，但会影响水的口感。再生饮用水的提供，既要保证水质安全、无毒无害，也要注重口感、味道等方面的可接受性。

（3）混浊度：混浊度是生物和无机物颗粒污染的指标。过多的非生物颗粒妨碍杀菌效果，从美学上引起乘员拒用；此外，大的颗粒内部还能隐藏微生物，造成水质隐患。

（4）其他物理参数：温度、导电性和pH值等是影响水质可接受性的一些重要的物理参数，也应制定相应的限值标准，以提高水质的可接受性。

4.2 化学指标限值

由于污染物的出现率和含量在不同的废水回收技术中是不同的，来源不同的废水成分又是极易变化的，所以要确定产出水的各种成份非常困难。但从人的安全、健康角度，其中最关心的是再生水的有机物含量。

确定再生水中各种各样有机物的含量限值是一个难题，因为这些化学物质与地球上水中的化学物质不同（地球上水中的物质是杀虫剂、石油制品、工业废物、城市和农业流水多）。慢性暴露必须考虑水的再循环引起的重复接受水中污染成分的可能性，在水再生和消毒过程中，无毒的化学衍生成分发生化学变化而成有毒产物（如有机卤化物）的可能性增大。持续居留必须要把慢性效应和急性毒性一起考虑。

水中污染物最大容许浓度既要保护航天员健康，又要防止净化装置过度设计。最大容许浓度基于以下考虑：（1）航天员是经过人群筛选的健康群体；（2）水服用时间比地面短很多；（3）必须考虑航天环境对航天员的特殊生理改变，比如长期飞行可能导致红细胞数量减少，水的容许限值制定过程中需考虑航天员患贫血症的可能；（4）航天员平均体重在70kg左右；（5）航天员平均消费约2.8L/d水（包括食物中水份）。

NASA基于国际空间站任务需要，制定了饮用再生水中27种化学成分1d和10d的应急容许浓度限值，该容许浓度允许适度风险的存在以及航天员一定的不满意度，容许引起航天员轻微的不适（恶心、头痛等）。另外制定了100d、1000d长期饮用的最大容许浓度限值[5]，该浓度限值不允许出现确定的毒性效应。

4.3 微生物限值

微生物限值的提出主要考虑没有致病菌存在，细菌计数水平不至于引起肠道功能紊乱和其它人体的病理学效应，表5是国际空间站饮用水微生物限值。

4.4 美、俄再生水水质要求

美、俄制定的再生水水质要求主要包括pH值、浑浊度、颜色、气味、硬度、总固形物等40项指标。表6中汇总了美、俄航天再生饮用水和卫生用水的水质标准。

表5 国际空间站饮用水微生物限值[1]

表6 美俄航天再生水水质标准[3]

5 水质监测和评价

水质监测和评价是确保再生水满足水质要求的重要环节，应对飞行前、飞行中、飞行后水质进行定期及不定期的监测与评价。

5.1 飞行前材料和水容器评估和测试

水容器评估：必须通过水质工程师、毒理学者及其它评估，预测水容器对水质的影响。

再生水装置评估：必须经过充分地面验证试验。

水容器长寿命评估：水的长时间储存容器和运输容器必须经评估，避免影响水质。

其他评估：材料和水的相容性等。

5.2 发射前水质监测和评价

水样品必须经过严格检验才能装船，飞船发射前15d和3d样品要进行检测，同时尽量缩短发射前保存时间。

水箱消毒后和水装入水箱后第一时间采样测试，最后一次采样到发射必须留够检测报告出具时间。

5.3 飞行过程水质监测

必须提供水采样能力；必须提供至少500ml水供测试使用；必须留够着陆后测试用水；必须提供和地面技术专家的通讯通路；在线监测设备必须能取得实时数据，提供最小的不确定性。

基于飞行过程中监测的困难，难以对每种目标污染物进行定量监测，对再生水而言，至少需要监测PH值、总有机碳以及灭菌剂含量，国际空间站过去一直使用总有机碳监测装置，2008年安装了新一代总有机碳监测仪。

5.4 飞行结束后对采样水质评价

虽然发射前评价极为重要，但并不妨碍飞行后评价数据作为航天器安全设计的技术基础，使用样品袋收集飞行过程水样，返回地面分析是目前重要的数据来源，地面实验室分析结果能提供比天上在线监测丰富得多的数据。2006年通过俄罗斯一套叫“SVO-ZV”水输送装置后的水样发现高浓度镉存在，结果证实是水输送装置溶出，后来更换了该装置。

5.5 微生物监测和评价

需对飞行前中后微生物计数以及菌落分类计数进行评价，每个采样点至少需要100ml水样进行微生物测试，短期飞行饮用地面携带水时不必进行微生物监测，但长期飞行，使用再生水作为饮用水时必须在线监测。

“阿波罗”飞船指令舱使用氯作为水的消毒剂，但氯加速水箱腐蚀和生物杀灭剂的消耗，碘作为航天飞机水消毒剂使用多年，但过量碘会对人的甲状腺产生影响，存在潜在的毒副作用，俄罗斯使用银作为消毒剂，但因为银会在金属表面沉积，从而降低了银的消毒作用。

再生水装置必须具有将在线监测有机物和微生物超标水重新净化的能力，例如国际空间站俄罗斯水净化系统SVO-ZV曾使用0.5ppm银离子作为灭菌剂，不幸的是，多种检测手段表明净化后每100ml水中菌落计数超过100个单位，为了重新净化，加入了10L10ppm银离子的水，结果又导致银离子含量超标。

6 再生水净化措施

水的净化受空间站气体中有机物浓度，人体新陈代谢产物的影响，若浓度过高，会大大影响再生水净化系统的效率，带来设备负担。

废水为微生物滋生提供了条件，微生物滋生会产生无机和有机化合物，包括：氨、硫化氢、乙酸和丁酸等，除了影响航天员健康外，还会降低再生水装置净化能力，比如：尿的处理会导致PH值偏碱性，产生磷酸钙和氢氧化镁等，沉积在分子筛、管壁、阀、气液分离器、吸收床上，甲烷和氮气等会附着在吸收床表面和液体通道上，降低离子交换效率和活性炭活性，沉积物和气体会增加管路和水泵阻力，另外废物会产生难闻的气味。

受微重力影响，常规的萃取、蒸馏、浮选等办法无法使用，微重力条件下，用分子筛、气旋分离、离心分离等方法来制造人工气液界面，另外在空间站使用紫外辐射杀菌必须考虑人的辐射水平耐受值。水的再生系统通常包括如下步骤：（1）废弃物物理化学和微生物成分的预处理；（2）从再生水过滤膜上去除杂质；（3）再生水的矿物质化；（4）水的保存；（5）水的加热和冷却。其中步骤2包括有机组分的氧化转化及其副产品的清除，卫生用水可以省略步骤3，电解制氧可以省略步骤3和5。

6.1 超滤

超滤是一种利用膜分离技术的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小细菌的体积都在0.02μm以上，因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化。

超滤膜使用一段时间后，被截留下来的细菌、铁锈、胶体、悬浮物、大分子有机物等有害物质会依附在超滤膜的内表面，使超滤膜的产水量逐渐下降，尤其是自来水质污染严重时，更易引起超滤膜的堵塞，定期对超滤膜进行冲洗可有效恢复膜的产水量。

6.2 吸收

主要吸收手段有离子交换树脂、分子筛和活性炭等。

离子交换树脂中含有一种（或几种）化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子（如 H+或 Na+）或阴离子（如 OH－或 Cl－），同时能吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。

分子筛过滤的原理是：当水流通过分子筛时，污染物粒径大于分子筛孔隙的全部被截留下来。缺点是时间长了之后，孔隙可能被堵塞，需要定期清理和更换。

活性炭的吸附原理是：在其颗粒表面形成一层平衡的表面浓度，再把有机物质杂质吸附到活性炭颗粒内，但如果水中有机物含量高，活性炭很快就会丧失过滤功能。所以，活性炭应定期清洗或更换。因为湿度太大，只有少数种类活性炭能用来吸收水中污染物，活性碳作为水处理中主要去色、味、嗅、氯化物、重金属，而活性碳没有除菌除浊功能，反而会掉碳渣及滋生细菌，因此活性碳滤后的水还必须使用超滤膜等进行净化。

6.3 电化学方法

电化学净化废水技术是在直流电场的作用下，废水污染物通过电解槽在阳极氧化或在阴极还原或发生二次反应转化为无害成分，最终使废水得到净化，方法的局限是对部分有机物的去除效率很低。此外，电净化技术的缺点：①废水中各种带电离子在电极上竞相放电，容易发生副反应，降低电流效率；②电极表面容易形成吸附层和产生氧化膜或有机聚合物而使电极极化或钝化直至中毒，最终导致槽电压升高，电流效率下降，电极性能衰退。

6.4 反渗透

反渗透方法原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据水能透过而污染物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。反渗透是目前高纯水设备中应用广泛的一种技术。

6.5 蒸馏

蒸馏是水净化的传统技术，尤其适用于尿液净化，但微重力条件下必须使用旋转装置人造重力，加热尿液，收集水蒸气蒸发后的冷凝水达到净化目的，缺点是部分污染物在冷凝水中存在，需要采用别的方法净化冷凝水中污染物。

在空间站水再生装置设计过程中，单用一种方法进行水的净化是不够的，需要综合使用以上多种方法，才能使水质达到饮用水和卫生用水的卫生标准。

6.6 其他方法

从目前研究热点来看，还有其它的方法从原理上也可用于空间站水的净化，例如：利用臭氧、过氧化氢和辐射等手段杀菌及催化氧化污染物；光化学氧化法氧化降解污染物；微生物净化法等，但这些方法研究还不够充分，目前阶段还没有达到工程实现的要求。

7 结束语

载人空间站工程与短期载人航天飞行任务相比，面临许多技术难题，其中再生水的使用，将会遇到很多新的航天医学工程问题，本文结合国际空间站任务情况，重点分析讨论了空间站再生水净化和使用过程中面临的再生水水源的污染来源、水质要求、水质净化技术和水质监测等方面的问题和研究思路，希望对空间站再生水污染防治策略的提出有所帮助和促进。 ◇

［1］NASA/SP-2010-3407.Human Integration Design Handbook（HIDH）,2010.

［2］NASA-STD-3001.Nasa Space Flight Human-System Standard.VOL 2:Human Factors,Habitability,and EnvironmentalHealth,2011.

［3］Arnauld E.Nicogossian,Oleg G.Gazenko,et al.Space Biology and Medicine.American Institute of Aeronautics and Astronautics,Washington：DC,1994.

［4］GB5749-2006生活饮用水卫生标准.中华人民共和国卫生部，国家标准化管理委员会发布.

［5］JSC 63414.Spacecraft Water Exposure Guidelines（SWEGs）.NASA Johnson Space Center,2008.